（计算机应用技术专业论文）智能课件生成系统的研究与应用.pdf

智能课件生成系统的研究与应用 i 摘要随着信息技术的发展，网络教育应运而生，学生可以随时随地开展学习，网上的教学 l 资源也日益丰富，但是目前大多数网络教学课件还是基于传统模式的，以系统自身为中心， 并没有充分考虑用户需求与习惯，要求人来适应系统而不是系统去适应用户，没有充分按照 人的学习规律来进行教育，所以造成了交互性差，教学效果不明显等诸多问题。同时，这些 教学课件由于各自独立因此不免会遇到大量资源无法被充分利用的局面。就算是制定了良 好的学生模型，贫瘠的教学资源也无法满足学生的需要，无法真正的实现个性化教学。基于资 源共享的智能课件生成系统从学生“学”的角度出发，同时利用人工智能及专家系统等方面 的知识，力求寻求一种全面的解决方案，一方面使学生真正做到自主学习，从而维持学习动 力，提高学习效果和效率，另一方面为教师提供了制作课件的编辑工具，该工具支持c e l t s 标准，教师通过本系统制作的课件可以方便的在其他支持c e l t s 标准的平台下进行无缝移 植，将教学资源的重用程度又提高了一层，为教师带来更大的便利。为了便于不同平台问课 件的共享，作者使用x m l 对数据进行绑定，并在此基础上对课件进行打包。决策推理是个 性化课件生成系统的核心部分，它负责合理安排学习者和各种教学变量之间的关系，也就是 决定何时何地使用何种的策略方法。作者围绕推理规则的定义，构造了一套专家系统中间件， 对外面向用户界面( 课件生成模块) ，对内面向规则和知识框架，实现完整的推理机功能。 此外，作者还将x m l 技术应用于课件生成模块中作为一种实现自主教学的有效的技术方法。j 文章主要分为三部分。 第一部分，作者从整体逐步深入，介绍了与智能教学系统相关的一系列概念和理论， 并由此论述了智能课件生成系统在远程教学中的主要功能和重要作用。 第二部分，作者提出了一个基于资源共享智能课件生成系统的模型，并介绍了其结构 框架和使川的关键算法，并对智能课件生成系统的开发i ：畦及实现关键技术做了详细的论 - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 一 述。 最后，作者根据白己的研究成果指山了需要改进和进一步研究的地方。 关键词专家系统，智能教学系统? 决策推理；课什生成， 2 ar e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tc o u r s e w a r eg e n e r a t i o ns y s t e m a h s t r a e t 、v i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , w e b b a s e d e d u c a t i o nh a sc o m ei n t ob e i n g b yt h i sm e a n s ，s t u d e n t sc a r ld ot h e i rs t u d y i n ga l l y t i m e a n da n y w h e r e ，a n dt e a c h i n gr e s o u r c e sh a v ea l s ob e c o m em o r ea n dm o r er i c h h o w e v e r ，m o s to fc o u r s e w a r e sf o rw e bt e a c h i n ga r ec u r r e n t l yb a s e do nt r a d i t i o n a l m o d e t h e s es o f l w a r e sa 1 1t a k et h es y s t e r na st h ec e n t e r ；h a v i n gn o tf u l l yc o n s i d e r e d n e e d sa n dc u s t o mo f u s e r s ，t h e yr e q u i r eu s e r sb ea d a p t e dt ot h es y s t e mb u tn o tt h a tt h e s y s t e mb es u i t a b l ef o ru s e r s t h a td on o tf o l l o wt h el e a r n i n gr u l eo fh u m a nb e i n g s s o m a n yp r o b l e m sh a sa p p e a r e di n w e b - b a s e dt e a c h i n ga tp r e s e n t ，s u c ha sw e a k i n t e r a c t i o na n dn o n n o t a b l ei n s t r u c t i o n u s i n ga r t i f i c i a li n t e l l i g e n ta n de x p e r ts y s t e m k n o w l e d g e ，t h ei n t e l l i g e n tc o u r s e w a r eg e n e r a t i o ns y s t e mb a s e do ns h a r e dr e s o u r c e s p u r s u eac o m p r e h e n s i v es o l u t i o nf r o mt h ev i e w p o i n to fs t u d e n t s l e a r n i n g t h es y s t e m a i m st oh e l ps t u d e n t sl e a r n i n gi n d e p e n d e n t l ya n dm a i n t a i n i n gl e a r n i n gm o t i v ef o r c e i t a l s op r o v i d et e a c h e r st h ea u t h o rt o o lo fc o u r s e w a r et h a tf o l l o w sc e l t ss t a n d a r d ，t h u s t oi n c r e a s et h eu s a g eo ft e a c h i n gr e s o u r c e s t h ea u t h o ru s e dx m lb i n dd a t a a n d p a c k a g e dt h ec o u r s e w a r e t h ec o r eo ft h es y s t e mi sd e c i s i o n m a k i n ga n dr e a s o n i n g ， w h i c hi sr e s p o n s i b l ef o ra r r a n g i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nl e a r n e r sa n dt e a c h i n g v a r i a b l e s b a s e do nt h ed e f i n i t i o no fr e a s o n i n gr u l e s ，t h ea u t h o rc o n s t r u c t e das e r i e so f e x p e r ts y s t e mm i d w a r ea n di m p l e m e n t e dc o m p l e t er e a s o n i n gf u n c t i o n s i na d d i t i o n ，i n t h i sp a p e r , a sa ne f f i c i e n tm e a n st oi m p l e m e n ti n d e p e n d e n ts t u d y , x m li sa p p l i e dt o t h ec o n r s e w a r eg e n e r a t i o nm o d u l e b 1s e c t i o no n e , t h ea n t l l o rd e s c r i b e das e r i e so f c o n c e d t sa n dt h e o r i e sa b o u ti n t e l l i g e n t t u t o r i n gs y s t e m ( i t s ) ，a n da d d r e s s e dt h em a j o rf u n c t i o na n di m p o r t a n te f f e c t st h a td i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m ( i t s ) p l a y e di nd i s t a n c ee d u c a t i o n i ns e c t i o nt w ot h ea u t h o rp r o p o s e dat h ei n t e l l i g e n tco u r s e w a r ege n e r a t i o ns y s t e m b a s e do ns h a r e dr e s o u r c e s ，a n dd e s c r i b e dt h ef r a m e w o r ka n dm a i na l g o r i t h m t h e p a p e ra l s oa d d r e s s e dt h ed e v e l o p i n gp r o c e s sa n ds o m ek e ys k i l l si n v o l v e di nt h e s y s t e mi nd e t a i l f i n a l l y , t h ea n t h o rp o i n t e do u tt h ei m p r o v e m e m sm a th i ss t u d yn e e d e da c c o r d i n gt o h i sr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s h o wt om a k et h es y s t e ma n da it e c h n o l o g yp l a ye f f e c t i v e r o l ei nn e t w o r k e di t s ，w h i c hn e e df u r t h e rs t u d ya n de x p e r i m e n t s 第1 章引言 随着i n t e m e t 的不断普及，网上的各种素材和资料越来越多，也越来越丰富，这给网络远程教 育的迅速发展带来了机会。越来越多的网络课件被开发出来，给老师和学生的教与学带来了极大 的方便。目前用于教学的多媒体课件的主要有两个来源：一是购买成品型课件，二是自行开发课 件。 购买成品型课件大多是固定的、无扩充性封闭式的课件，通常不支持教师修改其中的内容、 功能等，不能适应教师的个性化教学思路和教学风格：同时，这些课件也不能对不同水平的学生， 给予因材施教的指导，教学指导策略随着课件开发的结束而“固化”，造成了网络课件“千人一面” 的现象。 而如果采用教师自己制作课件的方案，将会带来更多的问题。首先，需要对教师进行大量的 培训，以使教师们掌握必备的各种技术和理论；其次，需要让教师们花很大的工作量去开发课件； 第三，学校需要为此进行各种投资，以支持课件开发。显然，这种方案大面积实施是会带来很多 负面效果的，会导致许多老师对网络教学望而止步。 综上所述，数字化教育资源已经成为教育信息化发展的瓶颈。 个性化教育在当今的教育改革中已经成为一个重要趋势。只有对学生实施个性化教学，才 能充分发掘出学生个体的潜能，最大限度地促进每一位学生的个体素质的发展。 1 9 9 9 年6 月，中共中央发布的“关于深化教育改革全面推进素质教育的决定”指出“素 质教育要以培养学生的创新精神和实践能力为重点”。江泽民总书记在第三次全教会上指出： “面对世界科技飞速发展的挑战，我们必须把增强民族创新精神提到关系中华民族兴衰存亡 的高度来认识。教育在培育创新精神和培养创造型人材方面肩负着特殊的使命”。江总书记 把“创新”与民族的兴衰，国家的存亡联系起来，“创新”已不再仅仅关系到我们国家的发 展速度，而是决定着我们国家的生死存亡【l i 。 因此，我们席当将以教师的“教”为中心的传统教学模式转变为以学生的“学”为中心 的教学模式，进行个性化教学，这样才能充分发挥学生白士性和能动性，从而提高学生的创 新精神。 与此同时，住学生进行白主学习时，也不能忽视教师在教学活动中的主导作川，否则会山 现学生在学习活动中需要不断定位，从而增加学生认知负荷，致使教学活动偏离教学目标，甚至 无法达到预期教学要求的情况。以学生为中心的自主学习模式从某种程度上看比较依赖于学习者 个人的学习能力。学习能力低的学习者有可能不能适当地选择学习内容和运用学习策略，因而更 需要教师发挥主导作用，有针对性地帮助学习者没计出合理的学习内容与学习方法，成功地掌握 知识，掌握正确的学习策略。 本文的研究正是针对上述所提出的问题而进行的。笔者解决问题的思路是： ( 1 ) 针对教育资源的匮乏，应该一方面加强基于w eb 的多媒体教学资源库的建设，存放有 一定制作难度的多媒体素材、微教学单元及多媒体课件等，提高资源的利用率；另一方面为教师 和学生提供制作资源的编辑工具和进行资源再生、再利用的工具，并参照c e l t s 标准，支持在 c e l t s 标准的平台下的资源无缝移植。 ( 2 ) 针对如何在基于资源的学习中发挥教师的主导作用，应一方面重视资源的个性化利用， 提供资源个性化利用的支持工具，另一方面应提高网络教学支撑平台的智能化程度，加强网络教 学支撑平台对发挥教师主导作用的支持。 为此，本文拟从上述两个方面研制一个智能课件生成系统，以解决教育信息化面临的新问题。 2 第2 章智能课件生成系统及其理论基础 2 1 相关教学理论 2 1 1 个性化教学 何为“个性化”? 人们对此有着不同的认识，作为教育学的两大基础学科一哲学与心 理学都从各自学科的角度届定“个性”的概念。哲学意义上的个性”主要从一般意义上强调 了某事务不同于其他事务的差异性以及共性与个性共存的辨证关系；心理学则把个性称为人 格( p e r s o n a l i t y ) ，很显然该概念无法涵概个性间非心里因素的差异。那么，教育学对“个性” 又是怎样认识的呢? 教育学中的个性应有优劣之分，应是函括个体的多种素质总和的个体的 独特性。从“独特性”来看，个体成为他自己的本质所在；从“总和性”来说，个性是一个 系统之和，由许多侧面，许多素质构成；从“优劣性”来看，教育应培养有优良个性的个体， 抛弃不适合个体自身与社会的特质。因此，我们认为，教育学中的“个性”应该为：个体在 先天基础上，通过与后天环境( 主要为教育) 的相互作用而形成的有益于自身解放，由多种 素质融合而成的独特整体田。 那么，在教学过程中我们要使教学适应个性化的需要，就必须做到：( 1 ) 尊重个体的 个性。人是教育的出发点和归宿，所以在教学过程中必须尊重每一个个体，而每一个个体的 存在是一种个性的存在，所以说尊重人归根结底是尊重人的个性，在平等博爱的基础上尊重 每一个个体的人格。尊重学生的个性意味着要承认学生的个性差异，并将其作为教师个性化 教的依据。( 2 ) 尊重个体的需要。弗洛姆认为：“一个健全的社会是一个符合人类需要的社 会”。因此，正确的教育是尊重个体需要的教育，个性化教学既要尊重教育者的需要，又要 引导受教育者，使其向有利于个人身心健康和促进社会进步的方向发展，使所有学生都享有 个性化学习的权利，即学习者每人都能享有适于其自身发展需要与特点的学习指导，满足每 一个学生的教育需求，身体需求，求得每一个学生身心的和谐发展。 在教育技术学范畴内，学习技术标准委员会( l t s c ) 学习技术系统架构( l t s a ) 标准 草案中定义了以学习者为导向的教学的观点的系统的构件组织，它代表了一种新兴的个性化 教学理念。如r 幽所示： 图1i e e e l t c s 的学习技术系统架构 l t s a 确定了四个过程、两类存储和十三种信息流 四个过程：学习者、评估、指导、发送。 两类存储：学习者记录、学习资源。 十三种流程：学习参数选择、行为、评价信息、绩效和绩效信息( 三次) 、询问、目 录信息、定位器( 两次) 、学习内容、多媒体、交互信息。 构件的操作有下列形式： ( 1 )学习风格、策略和方法等作为学习偏好在学习者和其他的利益关系者之间协商 和沟通： ( 2 )学习者在多媒体交互的情景中被观察和评价： ( 3 )评价产生评估或绩效信息； ( 4 )绩效信息存储在学习者的历史数据库中； ( 5 )指导者评审学习者的评估、偏好、历史绩效及未来学习目标等信息； ( 6 )为了合适的学习内容指导者通过查询和分类信息搜寻学习资源； ( 7 )指导者从可刚的分类信息里精选定位器并把定位器传送给发送过程，如：课 程计划： ( 8 )传送过程基丁i 定位器从学习资源中精选的学习内容并将学习内容通过交互的 多媒体方式传递给学习者。 4 综上所述，笔者认为个性化教学是指教师使用个性化教学工具为学生提供“因人而异” 的学习指导，支持学生开展基于资源学习的教学活动。在现代的远程教育中，主要通过，学 习形式的个性化以及学习过程的个性化、学习内容个性化等几方面实现对学生进行个性化教 学的。 2 1 2 专家系统 2 1 2 1 基本概念 专家系统属于人工智能的应用领域。它促进了人工智能从理论研究走向实际应用，从 一般思维方法探讨转入专门知识运用的重大突破。自2 0 世纪7 0 年代专家系统的开发获得成 功以来，目前已被成功地运用到科学技术、工业、农业、军事、医疗和教育等众多领域，并 已产生了巨大的社会效益和经济效益。 目前对专家系统还没有一个严格公认的形式化定义。作为一种一般的解释，可以认为专 家系统是一种具有大量专门知识与经验的智能程序系统，它能运用领域专家多年积累的经验 和专门知识，模拟领域专家的思维过程，解决该领域中需要专家才能解决的复杂问题。 从上述解释可以看出，专家系统包括以下三个方面的含义目： ( 1 ) 专家系统是一种应用程序，具有智能特性，是一种能够运用专家知识与经验进 行推理的启发式程序。 ( 2 ) 专家系统的智能来源于领域专家的知识、经验及解决问题的诀窍。为此，专家 系统内部必须包含有大量专家水平的领域知识与经验，并且能够在运行过程中 不断地增长新知识和修改原有知识。 ( 3 ) 专家系统所要解决的问题一般是那些本来应该由领域专家才能解决的问题。 通常专家系统都是针对某一应用领域而建立的。不同应用领域的专家系统，其功能、设 计方法及实现技术也各不同。应用于教育领域的专家系统称为教学型专家系统。教学型专家 系统的任务是根据学生的特点、弱点和基础知识水平，以适当的教学方案和教学方法对学生 进行教学和辅导。这类专家系统的主要特点有：第一同时具有诊断和调试功能：第二，具 有良好的人机界面。 2 1 2 - 2 专家系统结构 专家系统的结构是指专家系统各组成部分的构造方法和组织形式。不同应川领域和不 同类型的专家系统，其体系结构和功能也都不尽相同。通常一个最基本的专家系统应由知识 库、数据库、推理机、解释机构、知识获取机构和用户界面6 个部分，如图2 所示。 用户界面 图2 专家系统的基本结构 其中知识库是专家系统的知识存储器，用来存放求解问题的领域知识。对领域问题的专 家知识，首先需要用相应的知识表示方法将其表示出来，然后再进行形式化，并经编码放入 知识库中。数据库也称全局数据库或综合数据库，用来存储有关领域问题的事实、数据、初 始状态和推理过程中得到的各种中间状态及目标。推理机是一组用来控制、协调整个专家系 统的程序，它根据数据库当前输入的数据，利用知识库中的知识，按一定的推理策略，去求 解当前的问题、解释外部输入的事实和数据，推导出结论并向用户提示等。解释机构实际上 也是一组程序，它包括系统提示、人机对话、能书写规则的语言以及解释部分程序，其主要 功能是解释系统本身的推理结果，回答用户的提问，使用户能够了解推理的过程及运用的知 识和数据。知识获取是专家系统的一种辅助功能，它可为修改知识库中的原有知识和扩充新 知识提供相应手段。其基本任务是把知识加入到知识库中，并负责维持一致性及完整性建 立起性能良好的知识库。用户界面是专家系统的另一个关键组成部分，它作为专家系统与 外界的接口，主要用于系统和外界之间的通讯与信息交换。 2 1 3 智能教学系统 传统的远程教育，以系统白身为中心，并没有充分考虑川户需求与习惯，要求人来适戍 系统而不是系统去适应用户，没有充分按j ! c c 人的学习规律来进行教育，所以造成了交互性著， 教学效果不明显笛诸多问题。如图3 所示，目前所谓的“网上学习系统”在人多数远科教育 站点中只是一个关观的界面而己，它并没有把r 面亓个子系统有机地结合起米，使之成为一 个真止的网络学习系统，各个子系统有各自独立的数据库( 包括_ l i j 户信息和各臼所川的基本 信息) ，界面所做的i ：作无1 | 是提供指向各个子系统的链接。 6 图3 传统的网上学习系统 智能教学系统通过应用人工智能技术和知识表示理论提供有效、合适且具有灵活教学活 动方案的计算机辅助系统“。通常智能教学系统以学生为中心，以计算机为媒介，利用计 算机模拟教学专家的思维过程，形成开放式人机交互系统。它以现代教学理论和现代学习理 论为基础，综合人工智能、心理学、认知科学等学科的知识和方法、完成基于计算机化个性 化教学。 智能教学系统具有三个重要特征：问题求解能力、诊断纠错能力，以及自然语言生成和 理解能力。 智能教学系统的最大特点是系统可以像人类教师一样，根据学生的兴趣和学习需求，完 成教学过程。在智能教学系统中，学生可以主动地和系统进行交互，系统可以根据学生的学 习情况，进行纠错诊断并给出恰当的指导。在整个教学过程中智能教学系统充当着教师的角 色，进行各种教授活动，对学习者实施因材施教的个性化教学和协作化学习指导。 智能教学系统一般应具有以下五个功能：具备某一学科知识；能够分析学习者特征；评 价和记录学习者的学习情况：诊断学习中的错误并进行补救教学；可以自动选择不同的教学 方法，实现以学生为主体的个别化教学过程。在基于i n t e m e t 网络的各类远程教学学习系统 中，应用智能教学系统还可以实现教学的自动化。 智能教学系统主要包括三个模块o ，即专家模块、学生模块和教学模块。此外，还需要 一个人机交互界面，用f 与学生进行交流。专家模块描述的是领域知识，学生模型描述并记 录学生的当前知识水平、学习能力和背景信息等，教学模块描述如何进行教学。 智能教学系统的教学活动是借助r 媒体米完成的。为了实现个别化教学，要求智能教学 系统所依赖的媒体具有人性化特点，尤其需要构建与学生进行交且的教学环境，这就要求智 能教学系统借助人l ：智能的相关技术提供个性化的学习资源服务和白适应的学习指引与提 示，以帮助学生更好地学习。此外，作为学习者的每个人都是人类神会的一分子，具有一定 的社会性，离不开他所在的社会群体；个别化教学也是相对丁学生所在的学习群体而提出的。 因此。智能教学系统的教学环境还应当尽可能地为学生提供与学习群体的其他成员进行交流 的机会。 2 2 智能课件生成系统 智能课件生成系统是一种专门支持网上教学资源共享、再生和个性化利用的智能教 学系统，它由一摧套工具的集合组成。它的主要功能是： 1 实现网络学习对象的重用与共享，支持将资源按照学习者特征和需求自动的动态生 成课件。 2 满足不同个性学习者的学习需求，能够实现因人而异的教学辅导，从而提高网络教 育系统的服务质量。 此系统的开发成功与应用将具有以下意义： 1 突破了要求学生按部就班学习的传统教学模式，使学生能够按照个人需求和个性特 点进行学习，有助于维持学习动力，提高学习效果和效率。 2 减轻了教师制作网上课程的负担，使学习对象的重用性得到了有效的发挥，实现了 资源的高度共享。 3 对网络教育来说，一是通过资源共享实现信息增值，二是提高教育服务质量，具有 很高的经济效益和社会效益。 在2 0 0 2 年，由华东师范大学祝智庭教授提出并与首都师范大学王陆教授共同承担的“个 性化课件生成系统”项目中，由王陆教授提出了一个“个性化课件生成系统”的模型，如图4 所示： 个性化课件生成系统是智能课件生成系统的一个实例。该系统从学生“学”的角度出发， 同时利用教育心理学、现代教育技术、人：r 智能等方面的知识，寻求种全面的解决方案，使 学生真止做到个性化学习。豳4 所示的个性化课件生成系统不仅要支持学生的个性化学习，而 且还要实现冈材施教，同时还将提高课件资源的利心率，减轻教师制作网上课样的负担，提高 网上课程的教学效果。 螯黼 图4 个性化课件生成系统结构图 从图中可以看到，当学生进入该系统后，系统对该学生的特征信息进行收集，将所搜集 到的信息存入学生特征数据库。系统会对学生特征数据库中存储的学生特征数据进行提取， 并作相应转换，然后将其存储到数据仓库中，供数据挖掘使用。数据挖掘算法将从数据仓库 所收集的信息中产生三种挖掘信息：返回给学生的学习评价信息，提供给教师作为参考的教 学评价信息以及提供给决策推理模块所需的决策信息。决策推理模块运用挖掘算法提供的信 息，从知识库及资源库中获取资料，将其生成个性化课件及推荐资料，然后将其呈现给学生 或老师。学生可以对系统所生成课件进行评价，其评价信息也被信息收集模块收集。在信息 收集模块中的信息可以形成临时知识库，当临时知识库中的信息具有统计意义时就可将其加 入到知识库中，进而影响决策推理。同时，教师可以利用本系统支持课件开发的共享资源数 据库来构建课件，这大大的减轻了教师制作网上课程的负担，使学习对象的重用性得到了有 效的发挥。 与传统网上学习系统明显不同的是，个性化课件生成系统能够分析学习者特征，评价和记 录学习者的学习情况，可以白动选择不同的教学方法，实现以学生为主体的个性化教学过程。 9 第3 章基于资源共享的智能课件生成系统 3 1 基于资源共享的智能课件生成系统的模型 作者在“个性化课件生成系统”思想的基础上，提出并实现了一个基于资源共享的智能 课件生成系统。图5 是课件生成系统的结构模型。其中决策推理模块主要负责教学策略的实 施。知识库则有领域知识库和规则库两部分组成。决策推理模块接收客户( 客户程序) 的请 求，通过查询学科领域知识库和规则库生成个性化决策信息，课件生成模块将根据决策信息 查询资源库生成个性化课件。其中教师可以通过教师编辑工具对领域知识库，规则库，以及 资源库进行维护。 口 a k 9 雨， 图5 基于资源共享的课件生成系统结构图 3 2 面向专家的知识获取原理与教师编辑模块的关系 知识库中的知识是通过知识获取技术获得的9 】。知识获取的主要功能是为将人类教师 的教学知识和经验，转变为可以存储在知识库中的结构化数据，从而为修改知识库和扩充知 识库提供技术手段。在基于资源共享的课件生成系统模型中负责完成知识获取i ：作的是 教师编辑i ：具。 3 2 1 面向专家的知识获取 h a y e s r o t h 、w a t e r m a n 和l e n a t 认为，知识i 程师的职责在丁在专家和专家系统中扮演 中间人的作h j 。但是，冈为知识l ：程师拥有的领域知识远远少r 领域专家，所以知识l ：程师 0 和专家之间的交流就成了知识获取的一大障碍【“。 长期以来，在知识获取研究中存在着一种错误的观点：知识工程师常常不知不觉的将领 域专家视为单纯的知识提供者或者“问题解答器“，知识r 程师的职责就是运用知识获取方 法或系统来“接收“专家所提供的知识。在这些知识获取的模式下，领域专家处丁十分被动 的地位，他们成为知识工程师或知识获取系统的“问题解答器”。实际上，知识工程师和领 域专家合作的依赖关系是在整个专家系统生命周期内都不会完全终止。因此，要求组成专家 系统的各个部分应当是良构的，原因是整个专家系统的生命周期中，其中的知识是时刻在变 化的，由此可能引起结构的变化，所以我们应当构造能够适应各种变化的专家系统。在知识 获取的过程中，知识工程师往往有意或无意的问领域专家他具有哪些个人经验，或者所获取 的知识中哪些是他的个人经验。在他看来，个人知识与领域公共知识之间的边界是十分模糊 的。所谓专家个人知识是指在长期的实践过程中总结出的个人经验和理论，它们是专家所特 有的，是专家区别于其他领域人员的重要标志。而领域公共知识是指一般领域人员所掌握的 领域知识。粗略的讲，我们有以下关系： 专家知识= 专家个人知识+ 领域公共知识 为了消除专家对一般性知识与特殊性关系的顾虑，知识工程师需要给专家提供一个比较 明确的知识获取环境，它不但便于专家提供一些一般性的知识，而且也能刺激专家提供比较 具体的知识和个人经验。 在实践中我们发现，在知识获取启动之前，如果知识工程师对问题领域已经有了一定的 一般性知识，那么在知识获取的过程中他会发现，这种抽象的认识是非常有意的。因此，笔 者借助远程教育的某些技术标准作为先验知识，来解决知识获取困难的问题。 知识工程师的领域先验知识包括的范围很广。其中重要的两个方面是：1 对领域问题的 一般认识：包括问题的表达、组成和类型，问题和任务的联系和区别。2 典型问题的求解 方法。现实中的领域许许多多，他们所涉及的问题也形形色色。在教学专家系统中我们关心 的典型问题是规划问题，即行为的序列和对这一序列的解释。笔者认为对丁一个强壮的专家 系统来说，对典型问题知识的获取是对系统进行完整性维护的前提，也是知识l ：程师进一步 了解领域知识的条什。在智能教学系统中，对典型问题知识的获取，具体表现为对教学领域 教学序列安排的获取。 从知识获取的角度山发，将问题求解方法分为典型方法_ 手| l 特殊方法是有一定的蚶处 的。 任何一个领域都有一些典，聘的问题求解方法。这些方法是领域人员( 尤其是领域专家) 经过k 时间实践总结和积累起来的。典型问题的求解方法有两个重要的特点，第一，它们一 般比较简单，易丁掌握，对典型问题的解决行之有效，因此，在教学过程中，教师也常以典 型问题的求解方法米教导学生如何求解问题。第二，尽管典型问题求解方法可能有这样或那 样的变化，它们的基本形态往往在相当k 的一段时间里是不变的。即典型问题的求解方法相 对于领域的发展具有较好的稳定性和不变性。这两个特点说明，以领域问题的典型求解方法 为核心进行知识获取将是十分重要的。 从知识获取的角度看，知识获取任务的核心应当包括两个部分。即任务说明和任务求解。 任务说明和任务求解是互补的两个方面，前者是任务抽象的和非技术的描述，而后者则是对 应于任务的求解过程。任务说明相当于软件工程中的文档，它不仅可用于知识工程师人员内 部的交流，而且也是知识工程师和领域专家之间交流的基础。任务反映了知识工程师对领域 任务的理解，任务求解部分反映了知识工程师对具体的任务求解过程的认识。因此，如何表 示我们提出的任务( 即领域知识库和规则库的构建) ，并在此基础上进行求解( 即决策推理) ， 是我们的重点。 任务说明应至少包括以下三个方面 4 】： 任务目标和任务输出 任务目标是任务的最基本和最重要的要素之一。任务目标从组成上来说包括：任务变量 和他们之间的约束关系。具体地说，任务变量指的是任务求解所要求的未知量，每一个任务 变量都有一个值域，它规定了变量的可能取值范围。但是，当任务目标有多个待求任务目标 时，任务求解往往不能任意求解这些变量的值，因为它们之间存在着一定的约束关系，任何 一个变量的取值可能会影响到其他变量地取值。当任务目标实现后，任务变量的取值一般输 出给其他任务或者直接输出给有关用户。 任务输出数据类型及类型中的可能个体 任务输入是指完成任务所需的一些数据。只有当任务环境提供了这些任务输入后，任 务执行过程才能运行卜去。这一点与一般结构化计算机语言中的过程和函数是一样的。通常， 任务输入数据来源- 任务求解的外部环境。这里，“外部环境”可以是_ h j 户( 即由刚户提供 有关的数据) ，也可以是数据采集和传送装置，它甘j 专fj 提供必要的输入数据。 任务的输入数据可能很多，但是他们所属的类巾很有限。冈此，知识i ：样师应尽量亢识 别他们的类型，然后逐步地识别每个类型个体。 任务求解错误及纠止方法 任务求解分为： 2 任务分解结构与任务求解控制结构 当任务复杂时，我们可以对之进行分解，由此得到一些相对简单的子任务。一旦分解之后， 原任务必须对子任务的求解实施必要的控制，以确保子任务的求解三确的实现了原任务的求 解。 在实际的任务求解过程中，人们最常使用的控制结构是顺序结构。这种控制结构有两个 本质的特点，第一是子任务求解的顺序性，也即子任务一个一个的被执行。第二个特点是一 个任务只能被执行一次。另一种重要的结构是循环控制结构。循环控制结构克服了顺序控制 的缺点，它允许任务求解步被重复执行，直到某个预设的循环条件不再成立为止。 任务求解步 任务求解步是任务求解的基本行为，具有原子性，即不可以再分解为更小的任务求解步。 我们可以将任务求解步定义为实现任务目标所进行的操作、活动以及推理。 3 2 2 教师编辑模块的设计与实现 根据上述有关知识获取的描述，教师编辑模块的目标是通过事先设置好的知识获取环境 对教学任务进行任务说明和对任务求解进行形式化的描述。 主要指导思想是：以典型问题为主要获取内容，采取自顶向下的方法对任务进行分解。 同时，在知识获取的过程中，要正确区分典型问题和特殊问题。 同时为了减轻了教师制作网上课程的负担，使学习对象的重用性得到了有效的发挥，实 现资源共享。我们提供了一套资源共享的机制，这套机制分两层：1 实现教师对教学多媒 体元素的共享，即我们提供了一个多媒体资源库，并提供查询功能，方便教师引用已有的多 媒体资源，通过建立知识点与资源的连接，实现知识点内容的编辑。2 实现教师对现有完整 课件或课件片断的共享，即将已有的课件打包，按照一定的规范，实现对打包课件的解释和 利用，这一部分在领域知识库模块将有详细的描述。 教师编辑模块由以下几个模块组成： 1 教师界面 功能： 教师注册，教师登录 提供教师进行备课( 知识结构的编辑雨i 资源导入) 的入口，提供进入知识结构 编辑i ：具和资源导入i ：具的链接。 2 教师备课i ：具 功能： l3 提供给教师编辑知识点，为知识点指定媒体文件，以及设定目标的j = j 恩。以便 教师建立知识点结构，如下图所示。 图6 教师编辑知识点结构体系界面 提供导入和分析符合课程结构规范的课件的功能 为了实现资源共享，各个系统之间需要一个统一的标准来实现平台间的无缝移植。这样 我们就可以根据标准来导入和分析符合课程结构规范的课件。将整个教学单元甚至是一门课 件直接移植到我们的系统中，并根据标准中规定的统一的结构方式来将导入的课件进行分 析，以实现教学资源的再生和重组。 止如前面提到的，x m l 是一项_ l j 丁绑定这些标准的有利的j ：具。但是使用此标准的打 包厉的课 ，| ：还仅仅是一种简单的数据格式。对打包后的课件还需要对其进行解析后才能够使 用。 m s x m l 是微软提供的j 丁- 解析x m l 文档的解析器。目前晟新的版本是m s x m i a 0 。 m s x m l 严格遵循w 3 c 的d o m l e v e l1 标准中提出的接口。d o m 的设计目标是成为一种 独立丁平台和独立丁语言的标准，所以d o mr 作绢使川了o m g ( o b j e c t m a n a g e m e n t g r o u p ， 对象管理组织) 的i d l ( i n t e r f a c e d e f i n i t i o n l a n g u a g e ，接口定义语言) 米定义d o m 的接口，然 1 4 后由厂商具体实现这些接口，这样既统一了标准，同时义使标准的实现成为可能f ”。 d o m 通常把x m l 或者h t m l 文档表示为树状结构，如下一段x m l 文档可对应图9 所示的结构。从d o m 的观点来看，文档有一个类似于树( 或森林) 的逻辑结构，这并不意味 着必须把文档实现为树状结构，它可以实现为任何别的结构形式，d o m 标准对此朱作强求。 在实际应用中, x m l 文档通常被表示为某种图或树结构。 c 馐工b a 嬲 翔) o 敝 旺 硼氍上h 日* a u i i i o r o l l h 孤儿弱l 慢睦一曩吐哪吐黼 舢一q i i - 醵t 脚瀚 一轴啊曲 h 叠u 懿暖飘氛知h k 图7 经解析后生成的节点树 相应的x m l 文档如下： c o l l e c t i o n 订l e c o a m a s c a r l d o m 不仅包含了文档的逻辑结构，而且含有在文档上的一些操作。d o m 由d o m 核心 ( d o m c o r e ) l l d o m h t m l 两部分组成。d o m 核心义分为底层基本接【丁年x m l 扩展接口。 基本接口是每个符合d o m 标准的具体实现都必须完成的，并且必须在x m l 和h t m l 中实 现一个，印每个实现至少廊该能够访问x m l 或访问h t m l 。d o m 核心( c o r e ) 定义了- - n 广 最基本的接口利阁这些接口，程序可以访问和维护已经解析过的h t m l 和x m l 文档。只 要用d o m 提供的a p i ，程序就可以创建基本的文档。d o m 把文档表示为有继承性的节点， 有些节点有子节点，有些没有。在具体实现中，许多厂商选择倒立的树状结构，原因是这种 结构比较常用，并且x m l 和h t m l 通常也采用这种结构。 以下是一个分析课件结构的示例： 首先，系统将表示课程结构的x m l 文档( 文档结构可参看3 5 决策推理模块中的 x m l 样例) 装入a s p ( 本文的架构是基于a s p 技术的b s 模式) 文件中以下是转载x m l 文档相应的a s p 代码： d i mx m l d o c d i me l e m l i s t s e tx m l d o c = s e r v e r c r e a t e o b j e c t ( ”m i c r o s o f t x m l d o m ”) 使用m s x m l 对x m l 文档进行解析 x m l d o c a s y n c = f a l s e r o l e _ n o = g e t s t m e t u r e l d ( u s e r _ i d ) 这里r o l e _ _ n o 表示某一课程的编号 s t r u c t u r e = r o l e _ n o + x m l ” b a s e p a t h = r e q u e s t s e r v e r v a r i a b l e s ( ”a p p l _ p h y s i c a l _ p a t h ”) ，得到该网站的实 际物理地址 i f n o tr i g h t ( b a s e _ p a t h ，1 ) 2 ”t h e n b a s e _ p a t h = b a s ep a t h + ” e n d i f x m l d o c 1 0 a d ( b a s e a g a t h + j u e c e v + s t r u c t u r e ) 装载对应课程的x m l 文档 其次，使崩m s x m l 的a p i 函数对该文档进行解析。以f 是解析x m l 文档的a s p 代码： n o d e _ n o = g e t l e a m e d p a t h ( u s e r i d ) 得到某一学生的学习进度 s e tn o d e = x m l d o c s e l e c t s i n g l e n o d e ( ”i t e m l d e n t i f e r p r e q u e s to ”& n o d e _ n o & ”n 得剑课群结构知识树中的对戍该学生学习进度的1 y 点( 知识点) ，p r e q u e s t 代表 前续知识点。 n o d e _ t e x t 。n o d e t e x t 1 6 s e tp r e n o d e s = x m l d o e s e l e c t n o d e s ( ”i t e m p r e q n e s t i d e n t i f e r = ”& n o d e _ t e x t & ”n 得到学习该知识点的所有前续知识点 s e td e c = x m l d o c s e l e c t s i n g l e n o d e ( ”i t e m t i t l e 一p r e q u e s t = ”& n o d e _ n o & n s e tr e s o u r c e = x